การประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในมหาสมุทร

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุเสริมแรงด้วยเส้นใยที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์และเรซิน โลหะ เซรามิก และเมทริกซ์อื่นๆ เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง เป็นต้น จึงถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ กีฬาและสันทนาการ รถไฟความเร็วสูงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ในด้านยานยนต์และวิศวกรรมโยธา วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความทนทานต่อความเมื่อยล้า ทนต่อการกัดกร่อน และประสิทธิภาพการก่อสร้างที่ยอดเยี่ยม เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและความแข็งแรงสูง ซึ่งทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานทางทะเลที่มีข้อกำหนดพิเศษเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุ โปรดระวัง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีบทบาทสำคัญเพิ่มมากขึ้นในการต่อเรือ การพัฒนาพลังงานนอกชายฝั่ง และการซ่อมแซมวิศวกรรมทางทะเล

1.การสมัครบนเครื่องบิน
คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบตามธรรมชาติเหนือวัสดุต่อเรือแบบดั้งเดิม ประการแรก คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดี ตัวเรือผลิตด้วยคุณลักษณะของน้ำหนักเบาและสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่ำ และกระบวนการก่อสร้างค่อนข้างง่าย รอบสั้น และการขึ้นรูปสะดวก ดังนั้นต้นทุนการก่อสร้างและการบำรุงรักษาจึงต่ำกว่าเรือเหล็กมาก ในเวลาเดียวกัน เนื่องจากอินเทอร์เฟซระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และเมทริกซ์เรซินสามารถป้องกันการแพร่กระจายของรอยแตกได้อย่างมีประสิทธิภาพ วัสดุจึงมีความต้านทานความเมื่อยล้าที่ดี นอกจากนี้ เนื่องจากความเฉื่อยทางเคมีของพื้นผิวคาร์บอนไฟเบอร์ ตัวเรือจึงมีลักษณะเฉพาะคือสิ่งมีชีวิตในน้ำยากต่อการเกาะติดและทนต่อการกัดกร่อน ซึ่งก็คือการสร้างเรือด้วย หนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดในการเลือกวัสดุ ดังนั้น วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงมีข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่ครอบคลุมเฉพาะตัวในการต่อเรือ และปัจจุบันใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขานี้ ในเวลาเดียวกัน การพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการส่งเสริมจากการขยายสาขาการใช้งาน

1.1เรือรบ

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณสมบัติทางอะคูสติก แม่เหล็ก และไฟฟ้าที่ดี: โปร่งใส ซึมผ่านเสียงได้ และไม่เป็นแม่เหล็ก จึงใช้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการพรางตัวของเรือรบได้ การใช้คอมโพสิตในโครงสร้างส่วนบนของเรือไม่เพียงแต่ช่วยลดน้ำหนักของตัวเรือเท่านั้น แต่ยังส่งและรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ที่กำหนดไว้ล่วงหน้าด้วยการป้องกันชั้นเลือกความถี่ที่ฝังอยู่ในชั้นกลางเพื่อป้องกันคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเรดาร์ของศัตรู ตัวอย่างเช่น เรือลาดตระเวนคลาส "skjold" ที่สร้างโดยกองทัพเรือนอร์เวย์ในปี 1999 ใช้คอมโพสิตแบบแซนวิชที่ประกอบด้วยชั้นแกนโฟมโพลีไวนิลคลอไรด์ ไฟเบอร์กลาส และชั้นกลางคาร์บอนไฟเบอร์ การออกแบบนี้ไม่เพียงแต่ปรับปรุงอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักเท่านั้น แต่ยังทนต่อแรงกระแทกได้ดีอีกด้วย ประสิทธิภาพยังช่วยเพิ่มคุณสมบัติของการสแกนแม่เหล็กต่ำ ป้องกันอินฟราเรด และป้องกันเรดาร์ได้อย่างมาก เรือรบฟริเกตคลาสวิสบี้ของสวีเดน ซึ่งเข้าประจำการในปี 2543 ใช้คาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิตทั้งหมด ซึ่งมีฟังก์ชันพิเศษในการลดน้ำหนัก เรดาร์ และระบบพรางตัวแบบอินฟราเรดคู่

การประยุกต์ใช้เสาคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์บนเรือได้เกิดขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไป เรือ LPD-17 ซึ่งเข้าประจำการในสหรัฐอเมริกาในปี 2549 ใช้เสาคอมโพสิตคอมโพสิตขั้นสูงที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์/แกนบัลซา ซึ่งแตกต่างจากเสาเปิดแบบเดิม LPD-17 ใช้เสา/ระบบตรวจจับแบบปิดสนิทใหม่ (AEM/S) ส่วนบนของเสาคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์นี้ครอบคลุมวัสดุพื้นผิวที่เลือกความถี่ (FSS) ทำให้คลื่นที่มีความถี่เฉพาะสามารถผ่านได้ และครึ่งล่างสามารถสะท้อนคลื่นเรดาร์หรือถูกดูดซับโดยวัสดุดูดซับเรดาร์ ดังนั้นจึงมีฟังก์ชั่นการพรางตัวและตรวจจับเรดาร์ที่ดี นอกจากนี้ เสาอากาศต่างๆ และอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องยังรวมกันเป็นเนื้อเดียวกันในโครงสร้าง ซึ่งไม่กัดกร่อนง่าย และเอื้อต่อการบำรุงรักษาอุปกรณ์มากกว่า กองทัพเรือยุโรปได้พัฒนาเสาเซ็นเซอร์แบบปิดที่มีลักษณะคล้ายกันซึ่งทำจากใยแก้วที่ทำด้วยนาโนไฟเบอร์รวมกับใยคาร์บอนเพื่อเสริมกำลัง เทคโนโลยีนี้ทำให้ลำแสงเรดาร์และสัญญาณการสื่อสารต่างๆ สามารถผ่านกันได้โดยไม่ถูกรบกวน และการสูญเสียสัญญาณก็ต่ำมาก ในปี 2549 เทคโนโลยีขั้นสูงนี้ถูกนำมาใช้บนเรือบรรทุกเครื่องบิน "Royal Ark" ของกองทัพเรืออังกฤษ

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ยังสามารถใช้ในด้านอื่นๆ ของเรือได้ ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เป็นใบพัดและระบบขับเคลื่อนในระบบขับเคลื่อนเพื่อบรรเทาผลกระทบจากการสั่นสะเทือนและเสียงรบกวนของตัวเรือ และส่วนใหญ่ใช้ในเรือลาดตระเวนและเรือสำราญเร็ว สามารถใช้เป็นหางเสือในเครื่องจักรและอุปกรณ์ อุปกรณ์เครื่องกลพิเศษบางชนิด และระบบท่อ นอกจากนี้ เชือกคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงยังใช้กันอย่างแพร่หลายในสายเคเบิลเรือรบและสิ่งของทางทหารอื่นๆ

1.2เรือยอทช์พลเรือน

เรือยอทช์ขนาดใหญ่โดยทั่วไปเป็นของเอกชนและมีราคาแพง ต้องมีน้ำหนักเบา แข็งแรงและทนทานสูง คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถใช้ในหน้าปัดเครื่องมือและเสาอากาศของเรือยอทช์ หางเสือ และในโครงสร้างเสริมแรง เช่น ดาดฟ้า ห้องโดยสาร และผนังกั้นของเรือ เรือยอทช์คอมโพสิตแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ทำจาก FRP แต่เนื่องจากความแข็งแกร่งไม่เพียงพอ ตัวเรือจึงมักจะหนักเกินไปหลังจากผ่านข้อกำหนดการออกแบบความแข็งแกร่ง และไฟเบอร์กลาสเป็นสารก่อมะเร็งซึ่งค่อย ๆ ถูกห้ามในต่างประเทศ สัดส่วนของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้ในเรือยอทช์คอมโพสิตในปัจจุบันเพิ่มขึ้นอย่างมาก และบางลำยังใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ด้วย ตัวอย่างเช่น เรือยอทช์สุดหรู "ปานามา" แบบบาร์จคู่ของบอลติก ตัวเรือและดาดฟ้าถูกประกบด้วยผิวคาร์บอนไฟเบอร์/เรซินอีพอกซี รังผึ้ง Nomex  และแกนโฟมโครงสร้าง CorecellTM ตัวเรือมีความยาว 60 เมตร แต่โดยรวมมีน้ำหนักเพียง 210 ตัน Sunreef 80 Levante เรือใบสองลำตัวที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งสร้างขึ้นโดย Sunreef Yachts ของเรือใบสองลำตัวที่ทำจากโปแลนด์ ใช้เรซินไวนิลเอสเทอร์แบบแซนวิชคอมโพสิต โฟม PVC และคาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิต ส่วนเสากระโดงทำจากคาร์บอนไฟเบอร์คอมโพสิตที่สั่งทำพิเศษ และมีเพียงส่วนหนึ่งของตัวเรือเท่านั้นที่ใช้ FRP น้ำหนักขณะไม่มีน้ำหนักบรรทุกอยู่ที่เพียง 45 ตัน ความเร็วสูง การสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงต่ำ และประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม

เรือยอทช์ “Zhongke·Lianya” ที่สร้างขึ้นในปี 2014 ถือเป็นเรือยอทช์คาร์บอนไฟเบอร์เต็มลำเดียวในประเทศจีนในปัจจุบัน เรือยอทช์นี้เป็นเรือยอทช์สีเขียวที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินอีพอกซีผสมกัน มีน้ำหนักเบากว่าเรือยอทช์ไฟเบอร์กลาสประเภทเดียวกันถึง 30% และมีความแข็งแรงมากกว่า เร็วกว่า และสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงน้อยกว่า

นอกจากนี้ สายเคเบิลของเรือยอทช์และสายเคเบิลยังใช้เชือกคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงเพื่อให้มั่นใจถึงความปลอดภัย เนื่องจากคาร์บอนไฟเบอร์มีโมดูลัสแรงดึงสูงกว่าเหล็กและมีความแข็งแรงในการดึงหลายเท่าหรือหลายสิบเท่า และมีคุณสมบัติในการทอของเส้นใย จึงใช้เชือกคาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุพื้นฐาน ซึ่งสามารถทดแทนเชือกลวดเหล็กและเชือกโพลีเมอร์อินทรีย์ได้ ไม่เพียงพอ
2. การประยุกต์ใช้ในการพัฒนาพลังงานทางทะเล

2.1 แหล่งน้ำมันและก๊าซใต้น้ำ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้นในด้านการพัฒนาน้ำมันและก๊าซทางทะเล การกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมทางทะเล แรงเฉือนสูง และการเฉือนที่รุนแรงที่เกิดจากกระแสน้ำใต้ผิวน้ำกำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรง และความล้าของวัสดุ คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านน้ำหนักเบา ทนทาน และป้องกันการกัดกร่อนในการพัฒนาแหล่งน้ำมันนอกชายฝั่ง: แพลตฟอร์มขุดเจาะความลึกของน้ำ 1,500 เมตรมีสายเหล็กที่มีมวลประมาณ 6,500 ตัน ในขณะที่ความหนาแน่นของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเหล็กธรรมดา 1/4 หากใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อแทนที่ส่วนหนึ่งของเหล็ก ความสามารถในการรับน้ำหนักของแพลตฟอร์มขุดเจาะจะลดลงอย่างมาก และต้นทุนการก่อสร้างของแพลตฟอร์มก็จะประหยัด การเคลื่อนที่แบบลูกสูบของแท่งดูดจะนำไปสู่ความล้าของวัสดุได้ง่ายเนื่องจากแรงดันที่ไม่สมดุลระหว่างน้ำทะเลและแรงดันภายในท่อ การแตกหักและการใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแก้ปัญหานี้ได้ เนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนของสภาพแวดล้อมน้ำทะเล จึงมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าเหล็ก และใช้งานได้ลึกกว่า

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถใช้เป็นท่อสำหรับการผลิต แท่งดูด ถังเก็บ ท่อใต้น้ำ ดาดฟ้า ฯลฯ ในแท่นขุดเจาะน้ำมัน กระบวนการผลิตแบ่งออกเป็นกระบวนการพัลทรูชันและกระบวนการม้วนแบบเปียก โดยทั่วไปแล้วพัลทรูชันจะใช้กับท่อทั่วไปและท่อเชื่อมต่อ วิธีการม้วนมักใช้กับพื้นผิวของถังเก็บและภาชนะรับแรงดัน และยังสามารถใช้ในท่ออ่อนแบบแอนไอโซทรอปิกที่วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกม้วนและจัดเรียงในมุมที่เฉพาะเจาะจงในชั้นเกราะ

แท่งดูดต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีโครงสร้างคล้ายริบบิ้นคล้ายกับฟิล์มและมีความยืดหยุ่นที่ดี ผลิตและนำไปใช้โดยสหรัฐอเมริกาในปี 1990 ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเส้นใยเสริมแรงและเรซินไม่อิ่มตัวเป็นวัสดุพื้นฐาน ผลิตโดยกระบวนการพัลทรูชันหลังจากการบ่มแบบเชื่อมขวางที่อุณหภูมิสูง ตั้งแต่ปี 2001 ถึง 2003 จีนใช้แท่งดูดคาร์บอนไฟเบอร์และแท่งดูดเหล็กธรรมดาในแหล่งน้ำมันลำแสงบริสุทธิ์เพื่อสร้างนักบิน การใช้แท่งดูดคาร์บอนไฟเบอร์สามารถเพิ่มผลผลิตน้ำมันได้อย่างมากและลดภาระของมอเตอร์ซึ่งประหยัดพลังงานได้มากกว่า ยิ่งไปกว่านั้น แท่งดูดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความทนทานต่อความเมื่อยล้าและทนต่อการกัดกร่อนมากกว่าแท่งดูดเหล็ก และเหมาะสำหรับการใช้งานในการพัฒนาแหล่งน้ำมันใต้น้ำมากกว่า

2.2 พลังงานลมนอกชายฝั่ง

แหล่งพลังงานลมที่อุดมสมบูรณ์บนท้องทะเลเป็นพื้นที่สำคัญสำหรับการพัฒนาในอนาคตและเป็นสาขาเทคโนโลยีพลังงานลมที่ก้าวหน้าและต้องการมากที่สุด แนวชายฝั่งของจีนมีความยาวประมาณ 1,800 กิโลเมตรและมีเกาะมากกว่า 6,000 เกาะ พื้นที่ชายฝั่งตะวันออกเฉียงใต้และเกาะมีทรัพยากรลมอุดมสมบูรณ์และพัฒนาได้ง่าย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความพยายามในการส่งเสริมการพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่งได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงานที่เกี่ยวข้อง มากกว่า 90% ของน้ำหนักใบพัดพลังงานลมประกอบด้วยวัสดุคอมโพสิต ลมแรงในทะเลและการผลิตพลังงานสูงจำเป็นต้องใช้ใบพัดขนาดใหญ่และความแข็งแรงและความทนทานที่เฉพาะเจาะจงมากขึ้น เห็นได้ชัดว่าวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถตอบสนองความต้องการในการพัฒนาใบพัดผลิตพลังงานขนาดใหญ่ น้ำหนักเบา ประสิทธิภาพสูง ต้นทุนต่ำ และเหมาะสำหรับการใช้งานทางทะเลมากกว่าวัสดุคอมโพสิตไฟเบอร์กลาส

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในการผลิตพลังงานลมทางทะเล ใบพัดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีคุณภาพต่ำและมีความแข็งแกร่งสูง และโมดูลัสสูงกว่าผลิตภัณฑ์ไฟเบอร์กลาส 3 ถึง 8 เท่า ความชื้นสูงในสภาพแวดล้อมทางทะเล สภาพภูมิอากาศเปลี่ยนแปลงได้ และพัดลมทำงานตลอด 24 ชั่วโมง ใบพัดมีความทนทานต่อความเมื่อยล้าได้ดี และสามารถทนต่อสภาพอากาศเลวร้ายได้ ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ของใบพัด และลดภาระของหอคอยและเพลา ทำให้กำลังส่งออกของพัดลมราบรื่นและสมดุลมากขึ้น และประสิทธิภาพด้านพลังงานก็ดีขึ้น ประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าผ่านการออกแบบโครงสร้างพิเศษสามารถหลีกเลี่ยงความเสียหายที่เกิดจากฟ้าผ่าบนใบพัดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดต้นทุนการผลิตและการขนส่งของใบพัดกังหันลม และมีคุณสมบัติในการลดการสั่นสะเทือน

3.การประยุกต์ใช้ด้านวิศวกรรมทางทะเล

วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ใช้ในอาคารวิศวกรรมทางทะเล โดยส่วนใหญ่ใช้คุณสมบัติน้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง และทนต่อการกัดกร่อน และแทนที่วัสดุโครงสร้างเหล็กแบบดั้งเดิมในรูปแบบของเส้นเอ็นและชิ้นส่วนโครงสร้างเพื่อแก้ปัญหาต้นทุนการขนส่งที่สูงของเหล็กและการขนส่งที่เกิดจากการกัดเซาะของน้ำทะเล วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำไปใช้กับอาคารแนวปะการังบนเกาะนอกชายฝั่ง ท่าเรือ แพลตฟอร์มลอยน้ำ หอคอยไฟ ฯลฯ การใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับการฟื้นฟูทางวิศวกรรมเริ่มขึ้นในปี 1980 และ Mitsubishi Chemical Corporation ของญี่ปุ่นเป็นผู้นำในการศึกษาวิจัยคุณสมบัติเชิงกลของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และการประยุกต์ใช้ในการเสริมแรงทางวิศวกรรม การวิจัยเบื้องต้นมุ่งเน้นไปที่การเสริมแรงคานคอนกรีตเสริมเหล็กโดยใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งต่อมาได้พัฒนาเป็นการเสริมแรงและการเสริมแรงสำหรับงานวิศวกรรมโยธาต่างๆ การซ่อมแซมแพลตฟอร์มและท่าเรือน้ำมันนอกชายฝั่งด้วยคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเพียงแง่มุมหนึ่งของการประยุกต์ใช้ มีเอกสารที่เกี่ยวข้องมากมาย ควรกล่าวถึงว่าบริษัท DFI ของสหรัฐฯ ใช้แท่งคาร์บอนไฟเบอร์ในการซ่อมแซมเทอร์มินัลเพิร์ลฮาร์เบอร์ของกองทัพเรือ ในเวลานั้น ช่างเทคนิคใช้แท่งคาร์บอนไฟเบอร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ในการซ่อมแซมการเสริมแรง แท่นซ่อมแท่งคาร์บอนไฟเบอร์สามารถทนต่อเหล็ก 9 ตันจากความสูง 2.5 เมตร หลุดออกได้โดยไม่เสียหาย และเห็นผลชัดเจนในการเสริมประสิทธิภาพ

สำหรับการประยุกต์ใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในงานวิศวกรรมทางทะเล ยังมีประเภทการซ่อมแซมและเสริมความแข็งแรงท่อหรือเสาใต้น้ำอีกด้วย วิธีการบำรุงรักษาแบบดั้งเดิม เช่น การเชื่อม การปรับปรุงการเชื่อม การยึด การยาแนว เป็นต้น ก็มีข้อจำกัดของตัวเอง และการใช้วิธีการเหล่านี้ถูกจำกัดมากขึ้นในสภาพแวดล้อมทางทะเล การซ่อมแซมคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ส่วนใหญ่ทำจากวัสดุเรซินที่มีความแข็งแรงสูงและยึดติดได้ดี เช่น ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินอีพอกซี ซึ่งยึดติดกับพื้นผิวการซ่อมแซม จึงมีความบางและเบา มีความแข็งแรงสูง ทนทาน สะดวกในการก่อสร้าง และปรับให้เข้ากับรูปร่างต่างๆ ได้ มีข้อได้เปรียบที่สำคัญ